JP4405085B2 - 縦型窒化インジウムガリウムｌｅｄ - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明は、ＩＩＩ族窒化物（すなわち、元素周期表のＩＩＩ族）から形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものであり、詳しくは、活性部分として窒化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）量子井戸を組込んでいて、電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分、特に緑色部分から紫外部分の出力を生成するＬＥＤに関するものである。
【０００２】
発明の背景
発光ダイオード（"ＬＥＤ"）は、オプトエレクトロニクスの分野が年々成長し発展するにつれて、様々な役割において有用であることが見出されたｐ・ｎ接合デバイスである。電磁スペクトルの可視部分を発光するデバイスは、単純な状況標識として、動的パワーレベル棒グラフ（dynamic power level bar graphs）として、及び例えばオーディオシステム、自動車、家庭用エレクトロニクス、及びコンピュータシステムなどのような多くの用途における英数字表示として用いられてきた。赤外線デバイスは、オプトアイソレーター、ハンド・ヘルドリモートコントローラー、及び断続用途、反射用途、及び光ファイバセンシング（fiber-optic sensing）用途において、スペクトルマッチトフォトトランジスタ（spectrally matched phototransistor）と共に用いられてきた。
【０００３】
ＬＥＤは、半導体おける電子と正孔の再結合に基づいて動作する。伝導帯における電子キャリヤーが価電子帯における正孔と結合するとき、電子キャリヤーは、放出された光子、すなわち光の形態で、バンドギャップと等しいエネルギーを失う。平衡状態下での再結合イベントの数は、実用用途には不充分であるが、少数キャリヤー密度を増加させることによって向上させることができる。
【０００４】
ＬＥＤでは、従来、順方向にバイアスをかけることによって少数キャリヤー密度を増加させる。注入された少数キャリヤーは、接合端縁のいくつかの拡散長内において多数キャリヤーと放射再結合する。各再結合イベントは、電磁放射、すなわち光子を発生させる。エネルギー損失は半導体材料のバンドギャップと関係があるので、ＬＥＤ材料のバンドギャップ特性が重要であると認められた。
【０００５】
しかしながら、他の電子デバイスに関して、より効率的なＬＥＤ、特により低い電圧を用いながらより高い強度で動作するＬＥＤに対する願望とニーズが存在する。例えば高強度ＬＥＤは、様々な厳しい周囲環境下にあるディスプレイ又は状況標識にとって特に有用である。また、ＬＥＤの出力強度とＬＥＤを動作させるのに要する電力との間には関連がある。例えば、低電力ＬＥＤは、様々なポータブル電子装置用途に特に有用である。より強い強度、より低い電力、及びより効率的なＬＥＤに関するニーズを満たす試みの例は、可視スペクトルの赤色部分におけるＬＥＤのためのＡlＧaＡs ＬＥＤ技術の開発に認められる。同様の絶えることの無いニーズは、可視スペクトルの緑色、青色及び紫外領域において放出するＬＥＤに関しても感じられてきた。例えば、青色は原色であるので、その存在は、フルカラーディスプレイ又は純粋な白色光を発生させるのに望ましいか又は必要でさえもある。
【０００６】
本特許出願の共通の譲受人は、最初にこの分野で、大量に利用可能で且つ青色スペクトルの光を放出した、採算がとれるＬＥＤを首尾良く開発した。これらのＬＥＤは炭化珪素で形成された；その例は、Edmondに与えられた、それぞれが "Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide."という名称の米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。
【０００７】
上記青色ＬＥＤの他の例は、Nakamura ら に与えられた"Method of Manufacturing P-Type Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，３０６，６６２号及びNakamuraに与えられた"Crystal Growth Method for Gallium Nitride-Based Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，２９０，３９３号に記載されている。Hatano ら に与えられた"Vapor Phase Growth Method of Forming Film in Process of Manufacturing Semiconductor Device"という名称の米国特許第５，２７３，９３３号にも、SiC基板上ＧaＩnＡlＮ及び砒化ガリウム（ＧaＡs）上セレン化亜鉛（ＺnＳe）から形成されるＬＥＤが記載されている。
【０００８】
ＬＥＤ技術に関する一般的な考察は、Dorf, The Electrical Engineering Handbook, 2d Ed. (1997, CRC Press), pages 1915-1925, section 83.l, "Light Emitting Diodes," 及び Szc, Physics of Semiconductor Devices, pages 681 ff, Chapter 12, "LED and Semiconductor Lasers" (1981, John Wiley & Sons, Ine.)に見出すことができる。
【０００９】
例えばＬＥＤのような光子デバイスに精通している当業者には公知のように、任意の半導体材料によって発生され得る電磁放射（すなわち、光子）の周波数は当該材料のバンドギャップの関数である。より小さいバンドギャップでは、より低エネルギーでより長波長の光子が発生し、より高エネルギーでより短波長の光子を発生させるにはより広いバンドギャップを有する材料が必要である。例えば、レーザーに通常用いられる１つの半導体は隣化インジウムガリウムアルミニウム（ＩnＧaＡlＰ）である。この材料のバンドギャップの故に（実際に、バンドギャップの範囲は、存在する各元素のモル分率及び原子分率に左右される）、ＩnＧaＡlＰが発生させ得る光は、可視スペクトルの赤色部分、すなわち約６００ 〜７００ナノメートル（ｎｍ）に限定される。
【００１０】
従来（working backwards）、可視スペクトルの青色部分又は紫外部分の波長を有する光子を発生させるためには、比較的大きなバンドギャップを有する半導体材料が必要とされる。典型的な候補材料としては、炭化珪素（SiC）及びＩＩＩ族窒化物、特に窒化ガリウム（ＧaＮ）、及び例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡlＧaＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡlＩnＧaＮ）のような三元及び三元性（ternary and tertiary）のＩＩＩ族窒化物が挙げられる。
【００１１】
より短波長のＬＥＤは、色に加えて多くの利点を提供する。特に、光学的記憶及びメモリデバイス（例えば"CD-ROM"又は「光ディスク」）で用いるとき、それらのより短い波長により、前記記憶デバイスが相対的により多くの情報を保持することが可能となる。例えば、青色光を用いて情報を貯蔵している光学デバイスは、同じスペースにおいて、赤色光を用いる場合に比べて約４倍の情報を保持できる。
【００１２】
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は、それらの比較的高いバンドギャップ（すなわち、ＧaＮは室温で３．３６ｅＶである）の故に、またそれらは間接バンドギャップ材料というよりは直接バンドギャップ材料でもあるので、緑色、青色及びＵＶの周波数にとっては魅力的なＬＥＤ候補材料である。半導体特性に精通している当業者には公知のように、直接バンドギャップ材料は、価電子帯から伝導帯へと電子が遷移するときに、電子のために結晶運動量（crystal momentum）の変化を必要としない材料である。間接半導体では別の状況が存在する；すなわち、価電子帯と伝導帯との間の電子遷移には、結晶運動量の変化が必要である。珪素および炭化珪素がこのような間接半導体の例である。
【００１３】
一般的に言えば、直接遷移から生じる光子は間接遷移から生じる光子に比べてより多くのエネルギーを保持しているので、直接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤは、間接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤに比べて、より効率的に動作する。
【００１４】
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物には異なる短所がある；すなわち、今日まで、ＩＩＩ族窒化物光子デバイス用に適当な基板を形成できると考えられるＩＩＩ族窒化物のバルク単結晶を製造するための任意の実行可能な技術が得られていない。半導体デバイスに精通している当業者には公知のように、彼らのすべてが、いくつかの種類の構造基板を必要としている。典型的には、デバイスの活性部分と同じ材料から形成される基板は、特に結晶成長及び結晶整合においては有意な利点を提供する。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は依然としてバルク結晶で作らなければならないので、ＩＩＩ族窒化物光子デバイスは、異なる基板（すなわちＩＩＩ族窒化物以外の他の材料）上にエピタキシャル層で形成しなければならない。
【００１５】
しかしながら、異なる基板を用いると、主として結晶格子整合及び熱膨張率（ＴＣＥ）の領域において更なる問題が生じる。殆どすべての場合において、異なる材料は、異なる結晶格子パラメーター及びＴＣＥを有する。結果として、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を異なる基板上で成長させると、いくらかの結晶不整合が起こり、得られるエピタキシャル層は、これらの不整合によって「歪んでいる」又は「圧縮されている」と言われる。そのような不整合、及び不整合によって生じる歪みは、それらと共に、結晶の電子特性及び接合に影響を与え、而してそれに対応して光子デバイスの性能を劣化させるか又は妨害さえもする傾向がある結晶欠陥を引き起こす可能性がある。前記欠陥は、より大きな電力構造ではより更に問題となる。
【００１６】
ＩＩＩ族窒化物デバイスのための通常の基板は、これまではサファイア、すなわち酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）であった。サファイアは可視及びＵＶ領域では典型的に透明であるが、残念なことに、導電性というよりは絶縁性であり、（例えば）窒化ガリウムとの格子不整合は約１６％である。導電性基板が無い場合、「縦型」デバイス（反対側においてコンタクトを有するデバイス）を形成することができないので、当該デバイスの製造及び使用が複雑になる。
【００１７】
特有の短所として、水平構造（デバイスの同じ側にコンタクトを有するデバイス）、例えばＩＩＩ族窒化物層がサファイア上に形成されるときに要求される水平構造は、水平電流も生成するので、当該層を通る電流の密度は実質的に増加する。この水平電流は、既に歪んでいる（例えば、ＧaＮとサファイア間の１６％の格子不整合）構造に対して追加の歪みを加え、接合とデバイス全体の崩壊を促進する。
【００１８】
また窒化ガリウムも、窒化アルミニウム（ＡlＮ）とは約２．４％の格子不整合及び炭化珪素とは３．５％の不整合を生じる。炭化珪素は窒化アルミニウムとはいくぶん低い不整合（ほんの約１％）を有する。
【００１９】
発明の目的及び概要
而して、炭化珪素基板の利点と共に、窒化インジウムガリウムの発光特性を利用する、改良された輝度を有する発光ダイオードを提供することは本発明の目的である。
【００２０】
本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光を発光することができる縦型配向発光ダイオードによって上記目的を達成する。当該発光ダイオードは、導電性炭化珪素基板、窒化インジウムガリウム量子井戸、当該基板と当該量子井戸との間に導電性緩衝層、当該量子井戸の各表面上にあるそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層、及び縦型配向の当該デバイスに対するオーミックコンタクトを含む。
【００２１】
別の態様では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板、当該基板上にある導電性緩衝層、ｎ型である当該導電性緩衝層の上にある第一窒化ガリウム層、ドーピングされていない当該第一窒化ガリウム層の上にある第二窒化ガリウム層、当該第二窒化ガリウム層の上にある窒化インジウムガリウム量子井戸、ドーピングされていない当該量子井戸の上にある第三窒化ガリウム層、ドーピングされていない当該第三窒化ガリウム層の上にある第一窒化アルミニウムガリウム層、当該第一窒化アルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第二窒化アルミニウムガリウム層、当該第二窒化アルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第四窒化ガリウム層、当該基板に対するオーミックコンタクト、及び当該第四窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクトから形成される縦型発光ダイオードである。
【００２２】
詳細な説明及び添付の図面によって本発明の上記及び他の目的及び利点がより明確になる。
詳細な説明
本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光を放出することができる縦型発光ダイオードである。本明細書で用いる「縦型」という用語は、デバイスに対するオーミックコンタクトを当該構造の反対表面上に配置できる特徴を意味している。そのような配置によって、適当な金属コンタクト及びワイヤリード（マイクロプロセッサー及びプリント回路におけるワイヤリードを含む）をより容易にデバイスに対して作ることができる。それらとは対照的に、アノード及びカソードはデバイスの同じ表面上に配置しなければならない。図１は、番号１０で示してあるデバイスを図示しており、その最も広い面では、当該デバイス１０は、導電性炭化珪素基板１１、窒化インジウムガリウム量子井戸１２、当該基板１１と量子井戸１２との間に導電性緩衝層１３、当該量子井戸１２の各表面上にあるそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層１４及び１５、及び縦型配向のオーミックコンタクト１６及び１７を含む。
【００２３】
炭化珪素基板１１は、好ましくは３Ｃ型ポリタイプ，４Ｈ型ポリタイプ，６Ｈ型ポリタイプ及び１５Ｒ型ポリタイプから選択され、最も好ましくは６Ｈ型ポリタイプである。当該基板は、最も好ましくは、共通に譲渡された（又はライセンスされた）米国特許第Ｒｅ．３４，８６１（４，８６６，００５）号に記載されている成長技術にしたがって形成される。
【００２４】
導電性緩衝１３は、好ましくは、同時継続の及び共通に譲渡された係属中の国際出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ９８／２１１６０（国際公開 Ｎｏ．ＷＯ９９／１８６１７）"Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure."に記載されている構造を有するように形成され、且つ前記国際出願に記載されている方法を取り入れている。
【００２５】
上記したように、炭化珪素基板は、サファイアとよりも、ＩＩＩ族窒化物とより良好な格子整合を形成する。更に、ＩＩＩ族窒化物は炭化珪素上で張力状態にあって、サファイア上では圧縮状態にある。 当技術分野で用いられるとき、「張力」という用語は、エピタキシャル層の熱膨張率が基板の熱膨張率に比べて大きいという関係を指している。「圧縮」という用語は、エピタキシャル層の熱膨張率が基板の熱膨張率に比べて低いという別の関係を指している。ＩＩＩ族窒化物層と炭化珪素基板との間のように、格子定数の差（窒化物の格子定数は炭化珪素の格子定数に比べて大きい）は圧縮に加えられるが、総張力は各熱膨張率によって支配される傾向がある。この点に関して、張力下に存在するエピ層の上におけるＩnＧaＮ成長に関する報告は殆ど無い。
【００２６】
電子構造に精通している当業者には公知のように、量子井戸は、典型的には、極めて薄い活性層を有する半導体材料の１つの又はいくつもの薄層から形成される。特に、活性層の厚さがキャリヤーのドブロイ波長程度まで薄くなると、その結果として得られるのは、有限井戸形（finite square well）の束縛状態エネルギー（bound state energies）を有する離散化したエネルギー準位の系列である。Sze physics of Semiconductor Devices, 2d Ed. (1981) pp. 127 and 729 を参照されたい。前記構造に精通している当業者によって認識されるように、単一量子井戸又は多重量子井戸を用いると、所望の遷移における電子密度が増大するので、得られる発光の輝度が増加する。
【００２７】
更に詳しくは、炭化珪素基板１１はｎ型であり、典型的に珪素でドーピングされた第一ｎ型窒化ガリウム層２０は、導電性緩衝層１３上にあって、上記した（第二の）ドーピングされていない窒化ガリウム層１４に隣接している。
【００２８】
好ましい構造は、全体的に見ると第三窒化ガリウム層であるもう１つのドーピングされていない窒化ガリウム層１５の上にドーピングされていない第一窒化アルミニウムガリウム層２１も含む。ｐ型である（好ましくはマグネシウムでドーピングされた）第二窒化アルミニウムガリウム層２２は、第一アンドープト層２１の上にある。全体的に見ると第四窒化ガリウム層であるｐ型窒化ガリウム層２３は、デバイスを完成させ、好ましくはマグネシウムでドーピングされる。図１に示してあるように、オーミックコンタクト１６は導電性炭化珪素基板に対して作られ、別のオーミックコンタクト１７はｐ型窒化ガリウム層２３に対して作られる。好ましい態様では、基板１１に対するオーミックコンタクト１６はニッケルを含み、ｐ型窒化ガリウム層２３に対するオーミックコンタクト１７は白金（Ｐt）から形成される。もちろん、コンタクトする層に関して適当なオーミック特性を有し、且つ各層に対して適当な化学的及び物理的な結合を提供するという条件付きで、オーミックコンタクト用に他の金属を用いることができる。
【００２９】
好ましい態様では、窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、本質的にｎ型であり、単一量子井戸（ＳＱＷ）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）を含むことができる。
【００３０】
層のそれぞれは、本発明の全体構造において特有の利点を提供する。上記したように、ｎ型炭化珪素基板は、サファイアに比べてずっと高い熱伝導率を有し、またサファイアと比べてＩＩＩ族窒化物とずっと良好な格子整合を提供し、更にまたその導電特性により、当該基板は縦型デバイスにとって理想的なものとなる。
【００３１】
導電性緩衝層１３は、上記したＷＯ９９／１８６１７に記載された目的に役立つ。その基礎的機能において、導電性緩衝層１３は、炭化珪素基板から窒化ガリウム層２０及び１４への有利な結晶転移を提供し、その導電特性はデバイスの縦型を補完し可能にする。
【００３２】
導電性緩衝層１３を伴う第一窒化ガリウム層２０は、約１．８ミクロンの全厚を有する。導電性緩衝層１３及び窒化ガリウム層２０は、好ましくは、好ましい環境において、約１０４０℃の温度、水素（Ｈ2）雰囲気下で成長させる。ｎ型窒化ガリウム層２０は、炭化珪素基板１１と導電性緩衝層１３との間の界面から生じる欠陥を最小にするのに、且つ全表面を平坦化するのに充分に厚くあるべきである。層が薄すぎると、経験的にデバイスの波長の均一性が影響されると考えられる。
【００３３】
好ましい態様において全体から見ると第二窒化ガリウム層であるドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、デバイスの輝度と発光の均一性を増大させることが証明された。この事は、今日まで依然として経験的な結果であり、本出願人は任意の特定の理論によって束縛されたくないが、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４（窒素雰囲気下で成長させた）は、水素をトラップ又は埋め込む傾向があるので、窒素から分離しなければならないＩnＧaＮ量子井戸に対して後になって影響を及ぼさないと考えられる。ドーピングされていない窒化ガリウム層１４を用いると、後にＩnＧaＮ量子井戸を成長させるのと同じ窒素（Ｎ2）雰囲気中で成長させるので、別の方法で必要とされると考えられるいかなる成長停止も排除される。これらのタイプのデバイスの製造中に成長停止が予定されるとき、その停止前及び後に成長させる層の間の界面は劣化する傾向がある。
【００３４】
別法として、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、炭化珪素基板とその上にあるＩＩＩ族窒化物層との間に蓄積された歪みを単純に解放することができる。上記したように、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、（水素雰囲気下で成長させる窒化ガリウムのｎ型先行層２０とは対照的に）窒素雰囲気下で、好ましくは約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２００オングストロームの全厚まで成長させる。
【００３５】
窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、単一量子井戸及び多重量子井戸であることができ、典型的には、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４と同じ窒素雰囲気下で、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２０ 〜 ３０オングストロームの厚さまで成長させる。もちろん、量子井戸は、デバイスの活性層であり、所望の出力を発生する。機能的観点から見ると、量子井戸１２は、「シュードモフィック（仮晶）」又は「準安定」であるべきであり、すなわち別の同様な材料又は同じ材料のより厚い層において発生する傾向があると考えられる結晶欠陥を防止するために充分に薄くあるべきである。
【００３６】
ＩＩＩ族窒化物に精通している当業者には公知のように、バンド構造及び而して量子井戸の放出は、三元化合物におけるインジウムの量に依存して異なる。例えば、米国特許第５，６８４，３０９号の図１０及び図１１、及びカラム７の１９−４２行目を参照されたい。それらは例示であり、この特性を限定するものではない。青色ＬＥＤに関してインジウムのモル分率は約３５％であり、緑色ＬＥＤに関してインジウムのモル分率はいくぶん高く、好ましくは約５０％ 〜 ５５％である。而して、デバイスは、三元ＩnＧaＮ化合物におけるインジウムのモル分率（又はモル％）を調節することによって特定の波長で発光するように設計できる。しかしながら、インジウムの分率が大きいと、当該モル分率が小さいときに比べてより不安定となる傾向があるので、この特性は、量子井戸（単数又は複数）のための望ましい又は最適な組成を選択する場合に、典型的に考慮される。
【００３７】
第三窒化ガリウム層１５は、量子井戸１２に隣接しているもう１つのドーピングされていない窒化ガリウム層であり、結晶成長プロセス中に、水素又は高温に晒されることからＩnＧaＮ量子井戸１２を保護するのに役立つ。上部のドーピングされていない窒化ガリウム層１５は、水素に対する曝露から量子井戸１２を保護するために窒素雰囲気下で同様に成長させる。更に、窒化ガリウム層１５は、高温に対する曝露からＩnＧaＮ量子井戸１２を保護する。ＩnＧaＮは約９５０℃以上で分解することが認められている。
【００３８】
ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、ドーピングされたＡlＧaＮに比べて一般的に高い結晶品質を有し、また所望の温度に比べて高い温度から又は水素に対する曝露から、ドーピングされていない窒化ガリウム層１５と共にＩnＧaＮ量子井戸を保護するのに役立つ。ドーピングされていないＡlＧaＮ層２１は窒素雰囲気下で成長させる。
【００３９】
一般的に、水素雰囲気は、ＧaＮ及びＡlＧaＮのより高品質の層を生成するが、ＩnＧaＮに悪影響を与える。而して、可能な限り、成長は水素雰囲気下で行い、次に窒素雰囲気に変えて、ＩnＧaＮ量子井戸とその隣接層を上手く成長させる。
【００４０】
ドーピングされていない窒化ガリウム層１５及びドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１の双方とも比較的薄い。窒化ガリウム層１５は、２０ 〜 ３０オングストローム程度の厚さであり、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度で成長させる。ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、３０ 〜 ５０オングストローム程度の厚さであり、約８００℃ 〜 ８５０℃の温度で成長させる。
【００４１】
ｐ型窒化アルミニウムガリウム層２１は、いくぶん厚く約２００オングストローム程度であり、約９００℃超の温度で水素雰囲気下で成長させる。それによって、全構造に対して高品質の結晶層が提供され、また量子井戸の中に注入されて所望の発光を発生させる正孔が提供される。最後に、ｐ型窒化ガリウムコンタクト層２３は、オーミックコンタクト１７のための更に都合の良い材料を提供する。これらの材料に精通している当業者には公知のように、窒化アルミニウムガリウムに対して適当なオーミックコンタクトを作ることは少なくとも困難であり、多くの場合不可能である。
【００４２】
様々な層のための成長ガスは直進させる。シラン（ＳiＨ4）、トリメチルガリウム((ＣＨ3)3Ｇa)及びアンモニア（ＮＨ3）を用いてｎ型窒化ガリウム層２０を形成する。所望ならば、トリメチルガリウムの代わりにトリエチルガリウム（Ｃ2Ｈ5）3Ｇa）を用いることができる。同様に、ソースガスとしてトリメチルインジウム（(ＣＨ3)3Ｉn）又はトリメチルアルミニウム（(ＣＨ3)3Ａl）を用いて、インジウム及びアルミニウムを提供する。同様に、アンモニアは、各層のための窒素を供給する好ましいソースガスである。
【００４３】
上記したように、好ましい態様では、導電性緩衝層１３及び第一ＧaＮ層２０は、それらの成長を容易にし、またそれらの所望の特性が得られる水素雰囲気下で成長させる。Ｈ2下でのこの成長は、図１の矢印２５で示してある。次に、第二ＧaＮ層１４、ＩnＧaＮ量子井戸１２、第三ＧaＮ層１５、及び第一ＡlＧaＮ層２１を、窒素雰囲気下で、好ましくは成長を停止させずに成長させる。最後に、第二ＡlＧaＮ層２２及び第四ＧaＮ層２３を、好ましくは成長を停止させずに水素雰囲気下で成長させる。この方法では、水素雰囲気から窒素雰囲気への切り替えがドーピングされていないＧaＮ層１４で起こり、また窒素から水素へと戻す対応する切り替えは、ドーピングされていないＡlＧaＮ層２１の後で起こるので、ＩnＧaＮ量子井戸１２ならびに当該井戸に隣接している層は、成長を停止せずにすべて成長する。結晶成長技術、特にＣＶＤエピタキシャル成長技術に精通している当業者には公知のように、連続成長ブロセスは、停止を含む成長プロセスに比べて、エピタキシャル層の間に著しく良好な界面を生成する傾向がある。この方法では、本発明にしたがうＬＥＤの構造は、成長技術を向上させ、また連続成長技術はＬＥＤの得られる特性を向上させる。
【００４４】
好ましい態様では、炭化珪素基板１１は「バック注入（back implanted）」される。背景として、ＬＥＤにおいて、約６Ｅ１７ 〜 ２Ｅ１８で典型的にドーピングされるｎ型炭化珪素上にオーミックコンタクトを得るために９３０℃（少なくとも）の温度が必要である。前記温度は、一般的に、窒化ガリウムに悪影響を及ぼさないが、窒化インジウムガリウム量子井戸１２を劣化又は破壊する傾向がある。而して、より低い温度で、炭化珪素に対する良好なオーミックコンタクトを得るために、炭化珪素基板１１の裏面を高度にドーピングする。同様に、８００℃程度の温度（希望は７５０℃程度の温度）で、適当なオーミックコンタクトを形成させ得る技術も得ることができる。
【００４５】
好ましくは、イオン注入することによって、炭化珪素基板１１の高度にドーピングされた裏面をドーピングするが、他の技術、例えばレーザーアニール又は（多くの状況下では非実用的である）薄いエピタキシャル層でさえも用いることができると考えられる。限定というよりは例として、炭化珪素基板１１は、通常、約１．２Ｅ１８（１．２ ｘ １０18ｃｍ-3）でドーピングされ、注入された部分は約１Ｅ２０（１ ｘ １０20ｃｍ-3）の濃度に達する。
【００４６】
而して、別の面では、本発明は、本発明の縦型発光ダイオードを製造する方法を含む。この面では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板上に水素雰囲気下で導電性緩衝層及びｎ型窒化ガリウム層を連続して成長させる工程を含む。その後、ドーピングされていない窒化ガリウムの薄層、窒化インジウムガリウム量子井戸、ドーピングされていない窒化ガリウムの第二薄層、及びドーピングされていない窒化アルミニウムガリウムの薄層から成る連続層を窒素雰囲気下で成長させる。当該技術は、その後に、ｐ型窒化アルミニウムガリウム層及びｐ型窒化ガリウム層を水素雰囲気下で連続成長させることによって完了する。次に、まさに説明した方法で、すなわち好ましくはイオン注入によってオーミックコンタクトが加えられる部分において炭化珪素基板のドーピングを増加させる工程を含む好ましい態様により、オーミックコンタクトをｐ型窒化ガリウム層に対して及び炭化珪素基板に対して加えることができる。ソースガスは上記のものである。
【００４７】
ソースガスによって示したように、これらの層を成長させる好ましい技術は化学的気相堆積（ＣＶＤ）法である。前記技術は当業では極めて良く理解されている。にもかかわらず、ＣＶＤの性質及び個々のＣＶＤ装置の性質は、すなわち個々のガス流量、温度、反応器圧、時間、及び他のプロセスパラメーターは、一般的に、特定の装置及び状況に基づいて決定しなければならない。各層の厚さ及び好ましい成長温度範囲を含む本明細書で説明している層の組成を与えると、当業者は、不必要な実験をせずに、開示されたプロセス及び得られた構造を再現できる。
【００４８】
図２から図６は、本発明にしたがって設計され製造されたダイオードの実証された利点のいくつかを示している。図２は、本発明にしたがうＬＥＤの量子効率がサファイア基板上に形成されたいくつもの他のＬＥＤと少なくとも同じ程度に良好であることを示している。更に、縦型デバイスは、等価なサファイアベースのデバイスに比べてずっと小さいチップを提供し、しかも同じ出力を発生する。例えば、本明細書で比較のために評価されたサファイアベースのデバイスは（例えば、図２，図３及び図４）、１４ミル ｘ １４ミル（１９６平方ミル）であり、本発明にしたがう（そして同じ明るさを与える）デバイスは１０ミル ｘ １０ミル（１００平方ミル）である；すなわち、サファイアベースのデバイスと比較してほんの５７％の大きさである。
【００４９】
図３は、本発明にしたがうＬＥＤが、サファイア上に形成されたデバイスに比べて、順電流の範囲において、よりばらつきの無い色を保つことを示している。図３に示されているように、サファイアベースのＬＥＤは、低い順電流では
スペクトルの黄色部分又は黄色部分近傍の色を発光する傾向があり（例えば、２ミリアンペアで５４４ｎｍ）、本発明にしたがうＬＥＤは緑色領域のままであるる（例えば、２ミリアンペアで５３１ｎｍ）。
【００５０】
図４からは、本発明にしたがうSiCベースのＬＥＤが、所望の波長で、より狭い発光（純粋な色）を示すことが分かる；すなわち、各測定波長において、SiCベースのＬＥＤの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、サファイアベースのダイオードのそれに比べて少なくとも約５ｎｍ低いことが分かる。
【００５１】
図５及び図６からは、本発明にしたがう緑色（５２５ｎｍ）及び青色（４７０ｎｍ）ＬＥＤは、順方向バイアス電圧下で優れた電流特性を示すことが分かる。
使用する場合、本発明のダイオードを用いて、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを組込んでいるピクセル及びディスプレイの両方を提供することができる。
【００５２】
図面及び明細書において、本発明の典型的な態様を開示した。特定の用語を用いたが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ用いたのであって、発明を限定することを目的としてはいない。本発明の範囲は、上記の請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがう発光ダイオードの横断面図である。
【図２】 本発明にしたがうダイオードの量子効率と従来のデバイスの量子効率との比較プロットである。
【図３】 順電流に対する主波長のプロットであり、本発明の発光ダイオードと、サファイア基板上に形成された発光ダイオードとを比較している。
【図４】 波長に対する半値全幅のプロットであり、本発明にしたがうダイオードと、サファイア上に形成されたダイオードとを比較している。
【図５】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである。
【図６】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである。
発明の分野
本発明は、ＩＩＩ族窒化物（すなわち、元素周期表のＩＩＩ族）から形成される発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものであり、詳しくは、活性部分として窒化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）量子井戸を組込んでいて、電磁スペクトルの赤色部分から紫外部分、特に緑色部分から紫外部分の出力を生成するＬＥＤに関するものである。
【０００２】
発明の背景
発光ダイオード（"ＬＥＤ"）は、オプトエレクトロニクスの分野が年々成長し発展するにつれて、様々な役割において有用であることが見出されたｐ・ｎ接合デバイスである。電磁スペクトルの可視部分を発光するデバイスは、単純な状況標識として、動的パワーレベル棒グラフ（dynamic power level bar graphs）として、及び例えばオーディオシステム、自動車、家庭用エレクトロニクス、及びコンピュータシステムなどのような多くの用途における英数字表示として用いられてきた。赤外線デバイスは、オプトアイソレーター、ハンド・ヘルドリモートコントローラー、及び断続用途、反射用途、及び光ファイバセンシング（fiber-optic sensing）用途において、スペクトルマッチトフォトトランジスタ（spectrally matched phototransistor）と共に用いられてきた。
【０００３】
ＬＥＤは、半導体おける電子と正孔の再結合に基づいて動作する。伝導帯における電子キャリヤーが価電子帯における正孔と結合するとき、電子キャリヤーは、放出された光子、すなわち光の形態で、バンドギャップと等しいエネルギーを失う。平衡状態下での再結合イベントの数は、実用用途には不充分であるが、少数キャリヤー密度を増加させることによって向上させることができる。
【０００４】
ＬＥＤでは、従来、順方向にバイアスをかけることによって少数キャリヤー密度を増加させる。注入された少数キャリヤーは、接合端縁のいくつかの拡散長内において多数キャリヤーと放射再結合する。各再結合イベントは、電磁放射、すなわち光子を発生させる。エネルギー損失は半導体材料のバンドギャップと関係があるので、ＬＥＤ材料のバンドギャップ特性が重要であると認められた。
【０００５】
しかしながら、他の電子デバイスに関して、より効率的なＬＥＤ、特により低い電圧を用いながらより高い強度で動作するＬＥＤに対する願望とニーズが存在する。例えば高強度ＬＥＤは、様々な厳しい周囲環境下にあるディスプレイ又は状況標識にとって特に有用である。また、ＬＥＤの出力強度とＬＥＤを動作させるのに要する電力との間には関連がある。例えば、低電力ＬＥＤは、様々なポータブル電子装置用途に特に有用である。より強い強度、より低い電力、及びより効率的なＬＥＤに関するニーズを満たす試みの例は、可視スペクトルの赤色部分におけるＬＥＤのためのＡlＧaＡs ＬＥＤ技術の開発に認められる。同様の絶えることの無いニーズは、可視スペクトルの緑色、青色及び紫外領域において放出するＬＥＤに関しても感じられてきた。例えば、青色は原色であるので、その存在は、フルカラーディスプレイ又は純粋な白色光を発生させるのに望ましいか又は必要でさえもある。
【０００６】
本特許出願の共通の譲受人は、最初にこの分野で、大量に利用可能で且つ青色スペクトルの光を放出した、採算がとれるＬＥＤを首尾良く開発した。これらのＬＥＤは炭化珪素で形成された；その例は、Edmondに与えられた、それぞれが "Blue Light Emitting Diode Formed in Silicon Carbide."という名称の米国特許第４，９１８，４９７号及び第５，０２７，１６８号に記載されている。
【０００７】
上記青色ＬＥＤの他の例は、Nakamura ら に与えられた"Method of Manufacturing P-Type Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，３０６，６６２号及びNakamuraに与えられた"Crystal Growth Method for Gallium Nitride-Based Compound Semiconductor"という名称の米国特許第５，２９０，３９３号に記載されている。Hatano ら に与えられた"Vapor Phase Growth Method of Forming Film in Process of Manufacturing Semiconductor Device"という名称の米国特許第５，２７３，９３３号にも、SiC基板上ＧaＩnＡlＮ及び砒化ガリウム（ＧaＡs）上セレン化亜鉛（ＺnＳe）から形成されるＬＥＤが記載されている。
【０００８】
ＬＥＤ技術に関する一般的な考察は、Dorf, The Electrical Engineering Handbook, 2d Ed. (1997, CRC Press), pages 1915-1925, section 83.l, "Light Emitting Diodes," 及び Szc, Physics of Semiconductor Devices, pages 681 ff, Chapter 12, "LED and Semiconductor Lasers" (1981, John Wiley & Sons, Ine.)に見出すことができる。
【０００９】
例えばＬＥＤのような光子デバイスに精通している当業者には公知のように、任意の半導体材料によって発生され得る電磁放射（すなわち、光子）の周波数は当該材料のバンドギャップの関数である。より小さいバンドギャップでは、より低エネルギーでより長波長の光子が発生し、より高エネルギーでより短波長の光子を発生させるにはより広いバンドギャップを有する材料が必要である。例えば、レーザーに通常用いられる１つの半導体は隣化インジウムガリウムアルミニウム（ＩnＧaＡlＰ）である。この材料のバンドギャップの故に（実際に、バンドギャップの範囲は、存在する各元素のモル分率及び原子分率に左右される）、ＩnＧaＡlＰが発生させ得る光は、可視スペクトルの赤色部分、すなわち約６００ 〜７００ナノメートル（ｎｍ）に限定される。
【００１０】
従来（working backwards）、可視スペクトルの青色部分又は紫外部分の波長を有する光子を発生させるためには、比較的大きなバンドギャップを有する半導体材料が必要とされる。典型的な候補材料としては、炭化珪素（SiC）及びＩＩＩ族窒化物、特に窒化ガリウム（ＧaＮ）、及び例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡlＧaＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩnＧaＮ）及び窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡlＩnＧaＮ）のような三元及び三元性（ternary and tertiary）のＩＩＩ族窒化物が挙げられる。
【００１１】
より短波長のＬＥＤは、色に加えて多くの利点を提供する。特に、光学的記憶及びメモリデバイス（例えば"CD-ROM"又は「光ディスク」）で用いるとき、それらのより短い波長により、前記記憶デバイスが相対的により多くの情報を保持することが可能となる。例えば、青色光を用いて情報を貯蔵している光学デバイスは、同じスペースにおいて、赤色光を用いる場合に比べて約４倍の情報を保持できる。
【００１２】
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は、それらの比較的高いバンドギャップ（すなわち、ＧaＮは室温で３．３６ｅＶである）の故に、またそれらは間接バンドギャップ材料というよりは直接バンドギャップ材料でもあるので、緑色、青色及びＵＶの周波数にとっては魅力的なＬＥＤ候補材料である。半導体特性に精通している当業者には公知のように、直接バンドギャップ材料は、価電子帯から伝導帯へと電子が遷移するときに、電子のために結晶運動量（crystal momentum）の変化を必要としない材料である。間接半導体では別の状況が存在する；すなわち、価電子帯と伝導帯との間の電子遷移には、結晶運動量の変化が必要である。珪素および炭化珪素がこのような間接半導体の例である。
【００１３】
一般的に言えば、直接遷移から生じる光子は間接遷移から生じる光子に比べてより多くのエネルギーを保持しているので、直接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤは、間接バンドギャップ材料で形成されるＬＥＤに比べて、より効率的に動作する。
【００１４】
しかしながら、ＩＩＩ族窒化物には異なる短所がある；すなわち、今日まで、ＩＩＩ族窒化物光子デバイス用に適当な基板を形成できると考えられるＩＩＩ族窒化物のバルク単結晶を製造するための任意の実行可能な技術が得られていない。半導体デバイスに精通している当業者には公知のように、彼らのすべてが、いくつかの種類の構造基板を必要としている。典型的には、デバイスの活性部分と同じ材料から形成される基板は、特に結晶成長及び結晶整合においては有意な利点を提供する。しかしながら、ＩＩＩ族窒化物は依然としてバルク結晶で作らなければならないので、ＩＩＩ族窒化物光子デバイスは、異なる基板（すなわちＩＩＩ族窒化物以外の他の材料）上にエピタキシャル層で形成しなければならない。
【００１５】
しかしながら、異なる基板を用いると、主として結晶格子整合及び熱膨張率（ＴＣＥ）の領域において更なる問題が生じる。殆どすべての場合において、異なる材料は、異なる結晶格子パラメーター及びＴＣＥを有する。結果として、ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を異なる基板上で成長させると、いくらかの結晶不整合が起こり、得られるエピタキシャル層は、これらの不整合によって「歪んでいる」又は「圧縮されている」と言われる。そのような不整合、及び不整合によって生じる歪みは、それらと共に、結晶の電子特性及び接合に影響を与え、而してそれに対応して光子デバイスの性能を劣化させるか又は妨害さえもする傾向がある結晶欠陥を引き起こす可能性がある。前記欠陥は、より大きな電力構造ではより更に問題となる。
【００１６】
ＩＩＩ族窒化物デバイスのための通常の基板は、これまではサファイア、すなわち酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）であった。サファイアは可視及びＵＶ領域では典型的に透明であるが、残念なことに、導電性というよりは絶縁性であり、（例えば）窒化ガリウムとの格子不整合は約１６％である。導電性基板が無い場合、「縦型」デバイス（反対側においてコンタクトを有するデバイス）を形成することができないので、当該デバイスの製造及び使用が複雑になる。
【００１７】
特有の短所として、水平構造（デバイスの同じ側にコンタクトを有するデバイス）、例えばＩＩＩ族窒化物層がサファイア上に形成されるときに要求される水平構造は、水平電流も生成するので、当該層を通る電流の密度は実質的に増加する。この水平電流は、既に歪んでいる（例えば、ＧaＮとサファイア間の１６％の格子不整合）構造に対して追加の歪みを加え、接合とデバイス全体の崩壊を促進する。
【００１８】
また窒化ガリウムも、窒化アルミニウム（ＡlＮ）とは約２．４％の格子不整合及び炭化珪素とは３．５％の不整合を生じる。炭化珪素は窒化アルミニウムとはいくぶん低い不整合（ほんの約１％）を有する。
【００１９】
発明の目的及び概要
而して、炭化珪素基板の利点と共に、窒化インジウムガリウムの発光特性を利用する、改良された輝度を有する発光ダイオードを提供することは本発明の目的である。
【００２０】
本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光を発光することができる縦型配向発光ダイオードによって上記目的を達成する。当該発光ダイオードは、導電性炭化珪素基板、窒化インジウムガリウム量子井戸、当該基板と当該量子井戸との間に導電性緩衝層、当該量子井戸の各表面上にあるそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層、及び縦型配向の当該デバイスに対するオーミックコンタクトを含む。
【００２１】
別の態様では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板、当該基板上にある導電性緩衝層、ｎ型である当該導電性緩衝層の上にある第一窒化ガリウム層、ドーピングされていない当該第一窒化ガリウム層の上にある第二窒化ガリウム層、当該第二窒化ガリウム層の上にある窒化インジウムガリウム量子井戸、ドーピングされていない当該量子井戸の上にある第三窒化ガリウム層、ドーピングされていない当該第三窒化ガリウム層の上にある第一窒化アルミニウムガリウム層、当該第一窒化アルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第二窒化アルミニウムガリウム層、当該第二窒化アルミニウムガリウム層の上にあってｐ型である第四窒化ガリウム層、当該基板に対するオーミックコンタクト、及び当該第四窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクトから形成される縦型発光ダイオードである。
【００２２】
詳細な説明及び添付の図面によって本発明の上記及び他の目的及び利点がより明確になる。
詳細な説明
本発明は、電磁スペクトルの赤色部分、緑色部分、青色部分、紫色部分及び紫外部分の光を放出することができる縦型発光ダイオードである。本明細書で用いる「縦型」という用語は、デバイスに対するオーミックコンタクトを当該構造の反対表面上に配置できる特徴を意味している。そのような配置によって、適当な金属コンタクト及びワイヤリード（マイクロプロセッサー及びプリント回路におけるワイヤリードを含む）をより容易にデバイスに対して作ることができる。それらとは対照的に、アノード及びカソードはデバイスの同じ表面上に配置しなければならない。図１は、番号１０で示してあるデバイスを図示しており、その最も広い面では、当該デバイス１０は、導電性炭化珪素基板１１、窒化インジウムガリウム量子井戸１２、当該基板１１と量子井戸１２との間に導電性緩衝層１３、当該量子井戸１２の各表面上にあるそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層１４及び１５、及び縦型配向のオーミックコンタクト１６及び１７を含む。
【００２３】
炭化珪素基板１１は、好ましくは３Ｃ型ポリタイプ，４Ｈ型ポリタイプ，６Ｈ型ポリタイプ及び１５Ｒ型ポリタイプから選択され、最も好ましくは６Ｈ型ポリタイプである。当該基板は、最も好ましくは、共通に譲渡された（又はライセンスされた）米国特許第Ｒｅ．３４，８６１（４，８６６，００５）号に記載されている成長技術にしたがって形成される。
【００２４】
導電性緩衝１３は、好ましくは、同時継続の及び共通に譲渡された係属中の国際出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＵＳ９８／２１１６０（国際公開 Ｎｏ．ＷＯ９９／１８６１７）"Group III Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure."に記載されている構造を有するように形成され、且つ前記国際出願に記載されている方法を取り入れている。
【００２５】
上記したように、炭化珪素基板は、サファイアとよりも、ＩＩＩ族窒化物とより良好な格子整合を形成する。更に、ＩＩＩ族窒化物は炭化珪素上で張力状態にあって、サファイア上では圧縮状態にある。 当技術分野で用いられるとき、「張力」という用語は、エピタキシャル層の熱膨張率が基板の熱膨張率に比べて大きいという関係を指している。「圧縮」という用語は、エピタキシャル層の熱膨張率が基板の熱膨張率に比べて低いという別の関係を指している。ＩＩＩ族窒化物層と炭化珪素基板との間のように、格子定数の差（窒化物の格子定数は炭化珪素の格子定数に比べて大きい）は圧縮に加えられるが、総張力は各熱膨張率によって支配される傾向がある。この点に関して、張力下に存在するエピ層の上におけるＩnＧaＮ成長に関する報告は殆ど無い。
【００２６】
電子構造に精通している当業者には公知のように、量子井戸は、典型的には、極めて薄い活性層を有する半導体材料の１つの又はいくつもの薄層から形成される。特に、活性層の厚さがキャリヤーのドブロイ波長程度まで薄くなると、その結果として得られるのは、有限井戸形（finite square well）の束縛状態エネルギー（bound state energies）を有する離散化したエネルギー準位の系列である。Sze physics of Semiconductor Devices, 2d Ed. (1981) pp. 127 and 729 を参照されたい。前記構造に精通している当業者によって認識されるように、単一量子井戸又は多重量子井戸を用いると、所望の遷移における電子密度が増大するので、得られる発光の輝度が増加する。
【００２７】
更に詳しくは、炭化珪素基板１１はｎ型であり、典型的に珪素でドーピングされた第一ｎ型窒化ガリウム層２０は、導電性緩衝層１３上にあって、上記した（第二の）ドーピングされていない窒化ガリウム層１４に隣接している。
【００２８】
好ましい構造は、全体的に見ると第三窒化ガリウム層であるもう１つのドーピングされていない窒化ガリウム層１５の上にドーピングされていない第一窒化アルミニウムガリウム層２１も含む。ｐ型である（好ましくはマグネシウムでドーピングされた）第二窒化アルミニウムガリウム層２２は、第一アンドープト層２１の上にある。全体的に見ると第四窒化ガリウム層であるｐ型窒化ガリウム層２３は、デバイスを完成させ、好ましくはマグネシウムでドーピングされる。図１に示してあるように、オーミックコンタクト１６は導電性炭化珪素基板に対して作られ、別のオーミックコンタクト１７はｐ型窒化ガリウム層２３に対して作られる。好ましい態様では、基板１１に対するオーミックコンタクト１６はニッケルを含み、ｐ型窒化ガリウム層２３に対するオーミックコンタクト１７は白金（Ｐt）から形成される。もちろん、コンタクトする層に関して適当なオーミック特性を有し、且つ各層に対して適当な化学的及び物理的な結合を提供するという条件付きで、オーミックコンタクト用に他の金属を用いることができる。
【００２９】
好ましい態様では、窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、本質的にｎ型であり、単一量子井戸（ＳＱＷ）及び多重量子井戸（ＭＱＷ）を含むことができる。
【００３０】
層のそれぞれは、本発明の全体構造において特有の利点を提供する。上記したように、ｎ型炭化珪素基板は、サファイアに比べてずっと高い熱伝導率を有し、またサファイアと比べてＩＩＩ族窒化物とずっと良好な格子整合を提供し、更にまたその導電特性により、当該基板は縦型デバイスにとって理想的なものとなる。
【００３１】
導電性緩衝層１３は、上記したＷＯ９９／１８６１７に記載された目的に役立つ。その基礎的機能において、導電性緩衝層１３は、炭化珪素基板から窒化ガリウム層２０及び１４への有利な結晶転移を提供し、その導電特性はデバイスの縦型を補完し可能にする。
【００３２】
導電性緩衝層１３を伴う第一窒化ガリウム層２０は、約１．８ミクロンの全厚を有する。導電性緩衝層１３及び窒化ガリウム層２０は、好ましくは、好ましい環境において、約１０４０℃の温度、水素（Ｈ2）雰囲気下で成長させる。ｎ型窒化ガリウム層２０は、炭化珪素基板１１と導電性緩衝層１３との間の界面から生じる欠陥を最小にするのに、且つ全表面を平坦化するのに充分に厚くあるべきである。層が薄すぎると、経験的にデバイスの波長の均一性が影響されると考えられる。
【００３３】
好ましい態様において全体から見ると第二窒化ガリウム層であるドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、デバイスの輝度と発光の均一性を増大させることが証明された。この事は、今日まで依然として経験的な結果であり、本出願人は任意の特定の理論によって束縛されたくないが、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４（窒素雰囲気下で成長させた）は、水素をトラップ又は埋め込む傾向があるので、窒素から分離しなければならないＩnＧaＮ量子井戸に対して後になって影響を及ぼさないと考えられる。ドーピングされていない窒化ガリウム層１４を用いると、後にＩnＧaＮ量子井戸を成長させるのと同じ窒素（Ｎ2）雰囲気中で成長させるので、別の方法で必要とされると考えられるいかなる成長停止も排除される。これらのタイプのデバイスの製造中に成長停止が予定されるとき、その停止前及び後に成長させる層の間の界面は劣化する傾向がある。
【００３４】
別法として、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、炭化珪素基板とその上にあるＩＩＩ族窒化物層との間に蓄積された歪みを単純に解放することができる。上記したように、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４は、（水素雰囲気下で成長させる窒化ガリウムのｎ型先行層２０とは対照的に）窒素雰囲気下で、好ましくは約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２００オングストロームの全厚まで成長させる。
【００３５】
窒化インジウムガリウム量子井戸１２は、単一量子井戸及び多重量子井戸であることができ、典型的には、ドーピングされていない窒化ガリウム層１４と同じ窒素雰囲気下で、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度において、約２０ 〜 ３０オングストロームの厚さまで成長させる。もちろん、量子井戸は、デバイスの活性層であり、所望の出力を発生する。機能的観点から見ると、量子井戸１２は、「シュードモフィック（仮晶）」又は「準安定」であるべきであり、すなわち別の同様な材料又は同じ材料のより厚い層において発生する傾向があると考えられる結晶欠陥を防止するために充分に薄くあるべきである。
【００３６】
ＩＩＩ族窒化物に精通している当業者には公知のように、バンド構造及び而して量子井戸の放出は、三元化合物におけるインジウムの量に依存して異なる。例えば、米国特許第５，６８４，３０９号の図１０及び図１１、及びカラム７の１９−４２行目を参照されたい。それらは例示であり、この特性を限定するものではない。青色ＬＥＤに関してインジウムのモル分率は約３５％であり、緑色ＬＥＤに関してインジウムのモル分率はいくぶん高く、好ましくは約５０％ 〜 ５５％である。而して、デバイスは、三元ＩnＧaＮ化合物におけるインジウムのモル分率（又はモル％）を調節することによって特定の波長で発光するように設計できる。しかしながら、インジウムの分率が大きいと、当該モル分率が小さいときに比べてより不安定となる傾向があるので、この特性は、量子井戸（単数又は複数）のための望ましい又は最適な組成を選択する場合に、典型的に考慮される。
【００３７】
第三窒化ガリウム層１５は、量子井戸１２に隣接しているもう１つのドーピングされていない窒化ガリウム層であり、結晶成長プロセス中に、水素又は高温に晒されることからＩnＧaＮ量子井戸１２を保護するのに役立つ。上部のドーピングされていない窒化ガリウム層１５は、水素に対する曝露から量子井戸１２を保護するために窒素雰囲気下で同様に成長させる。更に、窒化ガリウム層１５は、高温に対する曝露からＩnＧaＮ量子井戸１２を保護する。ＩnＧaＮは約９５０℃以上で分解することが認められている。
【００３８】
ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、ドーピングされたＡlＧaＮに比べて一般的に高い結晶品質を有し、また所望の温度に比べて高い温度から又は水素に対する曝露から、ドーピングされていない窒化ガリウム層１５と共にＩnＧaＮ量子井戸を保護するのに役立つ。ドーピングされていないＡlＧaＮ層２１は窒素雰囲気下で成長させる。
【００３９】
一般的に、水素雰囲気は、ＧaＮ及びＡlＧaＮのより高品質の層を生成するが、ＩnＧaＮに悪影響を与える。而して、可能な限り、成長は水素雰囲気下で行い、次に窒素雰囲気に変えて、ＩnＧaＮ量子井戸とその隣接層を上手く成長させる。
【００４０】
ドーピングされていない窒化ガリウム層１５及びドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１の双方とも比較的薄い。窒化ガリウム層１５は、２０ 〜 ３０オングストローム程度の厚さであり、約７５０℃ 〜 ８００℃の温度で成長させる。ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層２１は、３０ 〜 ５０オングストローム程度の厚さであり、約８００℃ 〜 ８５０℃の温度で成長させる。
【００４１】
ｐ型窒化アルミニウムガリウム層２１は、いくぶん厚く約２００オングストローム程度であり、約９００℃超の温度で水素雰囲気下で成長させる。それによって、全構造に対して高品質の結晶層が提供され、また量子井戸の中に注入されて所望の発光を発生させる正孔が提供される。最後に、ｐ型窒化ガリウムコンタクト層２３は、オーミックコンタクト１７のための更に都合の良い材料を提供する。これらの材料に精通している当業者には公知のように、窒化アルミニウムガリウムに対して適当なオーミックコンタクトを作ることは少なくとも困難であり、多くの場合不可能である。
【００４２】
様々な層のための成長ガスは直進させる。シラン（ＳiＨ4）、トリメチルガリウム((ＣＨ3)3Ｇa)及びアンモニア（ＮＨ3）を用いてｎ型窒化ガリウム層２０を形成する。所望ならば、トリメチルガリウムの代わりにトリエチルガリウム（Ｃ2Ｈ5）3Ｇa）を用いることができる。同様に、ソースガスとしてトリメチルインジウム（(ＣＨ3)3Ｉn）又はトリメチルアルミニウム（(ＣＨ3)3Ａl）を用いて、インジウム及びアルミニウムを提供する。同様に、アンモニアは、各層のための窒素を供給する好ましいソースガスである。
【００４３】
上記したように、好ましい態様では、導電性緩衝層１３及び第一ＧaＮ層２０は、それらの成長を容易にし、またそれらの所望の特性が得られる水素雰囲気下で成長させる。Ｈ2下でのこの成長は、図１の矢印２５で示してある。次に、第二ＧaＮ層１４、ＩnＧaＮ量子井戸１２、第三ＧaＮ層１５、及び第一ＡlＧaＮ層２１を、窒素雰囲気下で、好ましくは成長を停止させずに成長させる。最後に、第二ＡlＧaＮ層２２及び第四ＧaＮ層２３を、好ましくは成長を停止させずに水素雰囲気下で成長させる。この方法では、水素雰囲気から窒素雰囲気への切り替えがドーピングされていないＧaＮ層１４で起こり、また窒素から水素へと戻す対応する切り替えは、ドーピングされていないＡlＧaＮ層２１の後で起こるので、ＩnＧaＮ量子井戸１２ならびに当該井戸に隣接している層は、成長を停止せずにすべて成長する。結晶成長技術、特にＣＶＤエピタキシャル成長技術に精通している当業者には公知のように、連続成長ブロセスは、停止を含む成長プロセスに比べて、エピタキシャル層の間に著しく良好な界面を生成する傾向がある。この方法では、本発明にしたがうＬＥＤの構造は、成長技術を向上させ、また連続成長技術はＬＥＤの得られる特性を向上させる。
【００４４】
好ましい態様では、炭化珪素基板１１は「バック注入（back implanted）」される。背景として、ＬＥＤにおいて、約６Ｅ１７ 〜 ２Ｅ１８で典型的にドーピングされるｎ型炭化珪素上にオーミックコンタクトを得るために９３０℃（少なくとも）の温度が必要である。前記温度は、一般的に、窒化ガリウムに悪影響を及ぼさないが、窒化インジウムガリウム量子井戸１２を劣化又は破壊する傾向がある。而して、より低い温度で、炭化珪素に対する良好なオーミックコンタクトを得るために、炭化珪素基板１１の裏面を高度にドーピングする。同様に、８００℃程度の温度（希望は７５０℃程度の温度）で、適当なオーミックコンタクトを形成させ得る技術も得ることができる。
【００４５】
好ましくは、イオン注入することによって、炭化珪素基板１１の高度にドーピングされた裏面をドーピングするが、他の技術、例えばレーザーアニール又は（多くの状況下では非実用的である）薄いエピタキシャル層でさえも用いることができると考えられる。限定というよりは例として、炭化珪素基板１１は、通常、約１．２Ｅ１８（１．２ ｘ １０18ｃｍ-3）でドーピングされ、注入された部分は約１Ｅ２０（１ ｘ １０20ｃｍ-3）の濃度に達する。
【００４６】
而して、別の面では、本発明は、本発明の縦型発光ダイオードを製造する方法を含む。この面では、本発明は、ｎ型炭化珪素基板上に水素雰囲気下で導電性緩衝層及びｎ型窒化ガリウム層を連続して成長させる工程を含む。その後、ドーピングされていない窒化ガリウムの薄層、窒化インジウムガリウム量子井戸、ドーピングされていない窒化ガリウムの第二薄層、及びドーピングされていない窒化アルミニウムガリウムの薄層から成る連続層を窒素雰囲気下で成長させる。当該技術は、その後に、ｐ型窒化アルミニウムガリウム層及びｐ型窒化ガリウム層を水素雰囲気下で連続成長させることによって完了する。次に、まさに説明した方法で、すなわち好ましくはイオン注入によってオーミックコンタクトが加えられる部分において炭化珪素基板のドーピングを増加させる工程を含む好ましい態様により、オーミックコンタクトをｐ型窒化ガリウム層に対して及び炭化珪素基板に対して加えることができる。ソースガスは上記のものである。
【００４７】
ソースガスによって示したように、これらの層を成長させる好ましい技術は化学的気相堆積（ＣＶＤ）法である。前記技術は当業では極めて良く理解されている。にもかかわらず、ＣＶＤの性質及び個々のＣＶＤ装置の性質は、すなわち個々のガス流量、温度、反応器圧、時間、及び他のプロセスパラメーターは、一般的に、特定の装置及び状況に基づいて決定しなければならない。各層の厚さ及び好ましい成長温度範囲を含む本明細書で説明している層の組成を与えると、当業者は、不必要な実験をせずに、開示されたプロセス及び得られた構造を再現できる。
【００４８】
図２から図６は、本発明にしたがって設計され製造されたダイオードの実証された利点のいくつかを示している。図２は、本発明にしたがうＬＥＤの量子効率がサファイア基板上に形成されたいくつもの他のＬＥＤと少なくとも同じ程度に良好であることを示している。更に、縦型デバイスは、等価なサファイアベースのデバイスに比べてずっと小さいチップを提供し、しかも同じ出力を発生する。例えば、本明細書で比較のために評価されたサファイアベースのデバイスは（例えば、図２，図３及び図４）、１４ミル ｘ １４ミル（１９６平方ミル）であり、本発明にしたがう（そして同じ明るさを与える）デバイスは１０ミル ｘ １０ミル（１００平方ミル）である；すなわち、サファイアベースのデバイスと比較してほんの５７％の大きさである。
【００４９】
図３は、本発明にしたがうＬＥＤが、サファイア上に形成されたデバイスに比べて、順電流の範囲において、よりばらつきの無い色を保つことを示している。図３に示されているように、サファイアベースのＬＥＤは、低い順電流では
スペクトルの黄色部分又は黄色部分近傍の色を発光する傾向があり（例えば、２ミリアンペアで５４４ｎｍ）、本発明にしたがうＬＥＤは緑色領域のままであるる（例えば、２ミリアンペアで５３１ｎｍ）。
【００５０】
図４からは、本発明にしたがうSiCベースのＬＥＤが、所望の波長で、より狭い発光（純粋な色）を示すことが分かる；すなわち、各測定波長において、SiCベースのＬＥＤの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、サファイアベースのダイオードのそれに比べて少なくとも約５ｎｍ低いことが分かる。
【００５１】
図５及び図６からは、本発明にしたがう緑色（５２５ｎｍ）及び青色（４７０ｎｍ）ＬＥＤは、順方向バイアス電圧下で優れた電流特性を示すことが分かる。
使用する場合、本発明のダイオードを用いて、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤを組込んでいるピクセル及びディスプレイの両方を提供することができる。
【００５２】
図面及び明細書において、本発明の典型的な態様を開示した。特定の用語を用いたが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ用いたのであって、発明を限定することを目的としてはいない。本発明の範囲は、上記の請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがう発光ダイオードの横断面図である。
【図２】 本発明にしたがうダイオードの量子効率と従来のデバイスの量子効率との比較プロットである。
【図３】 順電流に対する主波長のプロットであり、本発明の発光ダイオードと、サファイア基板上に形成された発光ダイオードとを比較している。
【図４】 波長に対する半値全幅のプロットであり、本発明にしたがうダイオードと、サファイア上に形成されたダイオードとを比較している。
【図５】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである。
【図６】 本発明にしたがう２種類のダイオードの電流電圧特性に関するプロットである。
Claims (11)
- 導電性炭化珪素基板（１１）；
ＩnＧaＮ量子井戸（１２）；
該基板と該量子井戸との間に導電性緩衝層（１３）；及び
該量子井戸の各表面上にそれぞれドーピングされていない窒化ガリウム層（１４，１５）
を含み、
該緩衝層と該ドーピングされていない窒化ガリウム層との間に、ドーピングされた窒化ガリウム層（２０）；
該基板及び該緩衝層から反対側にある、該量子井戸上の該ドーピングされていない窒化ガリウム層の表面上にあるドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層（２１）；
及び
該ドーピングされていない窒化アルミニウムガリウム層の上にあるドーピングされた窒化アルミニウムガリウム層（２２）；及び
縦型配向のオーミックコンタクト（１６，１７）
を特徴とする、
縦型発光ダイオード。 - 該ドーピングされた窒化アルミニウムガリウム層上に、ドーピングされた窒化ガリウム層を更に含む請求項１記載の縦型発光ダイオード。
- 該基板及び該緩衝層に隣接している該窒化ガリウム層が、すべてｎ型であって；且つ
該ドーピングされた窒化アルミニウムガリウム層及びその上にあるドーピングされた窒化ガリウム層が、ｐ型である
請求項２記載の縦型発光ダイオード。 - ｎ型炭化珪素基板（１１）；
該基板の上にある導電性緩衝層（１３）；
ｎ型である、該導電性緩衝層の上にある第一窒化ガリウム層（２０）；
ドーピングされていない、該第一窒化ガリウム層の上にある第二窒化ガリウム層（１４）；
該第二窒化ガリウム層の上にある窒化インジウムガリウム量子井戸（１２）；
ドーピングされていない、該量子井戸の上にある第三窒化ガリウム層（１５）を含み、
ドーピングされていない、該第三窒化ガリウム層の上にある第一窒化アルミニウムガリウム層（２１）；
該第一窒化アルミニウムガリウム層の上にあって、ｐ型である窒化アルミニウムガリウム層の第二の層（２２）；
該第二窒化アルミニウムガリウム層の上にあって、ｐ型である第四窒化ガリウム層（２３）；
該基板に対するオーミックコンタクト（１６）；及び
該第四窒化ガリウム層に対するオーミックコンタクト（１７）
を特徴とする、縦型発光ダイオード。 - 該基板に対する当該オーミックコンタクトがニッケルを含み、該第四窒化ガリウム層に対する該オーミックコンタクトが白金である請求項４記載の縦型発光ダイオード。
- 該量子井戸が、本来的にｎ型である請求項４記載の縦型発光ダイオード。
- 該量子井戸が、多重量子井戸である請求項１又は請求項４記載の縦型発光ダイオード。
- 該第一窒化ガリウム層を、珪素でドーピングする請求項４記載の縦型発光ダイオード。
- 該第四窒化ガリウム層及び該第二窒化アルミニウムガリウム層を、マグネシウムでドーピングする請求項４記載の縦型発光ダイオード。
- 請求項１又は請求項４記載の発光ダイオードを含むピクセル。
- 請求項１０記載のピクセルを複数含むディスプレイ。
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